细菌耐药性问题一直悬而未决，近些年来，受自然界启发的仿生纳米结构表面因通过力学机制展示杀菌特性而受到了极大的关注。本文综述了纳米结构力学杀菌表面领域的主要研究进展，包括具有力学杀菌性能的纳米结构表面的各种制备方法，以及细菌与纳米结构表面相互作用的基本机制和相关的物理模型；此外，还介绍了纳米结构表面在生物医学中的应用。最后，对力学杀菌研究面临的重大挑战和未来研究发展方向进行了展望。
引用本文： 陈世雄, 梁英, 田晓宝, 王凯. 基于力学杀菌机制的纳米结构表面研究进展. 生物医学工程学杂志, 2024, 41(5): 1046-1052, 1061. doi: 10.7507/1001-5515.202407099 复制
0 引言
细菌耐药性问题一直以来深受关注，对公共健康构成了巨大威胁。抗生素的滥用导致细菌变异产生抗性，而且生物膜提供的物理保护屏障和促进遗传物质交换的通道，进一步加剧了细菌耐药性问题。近些年来，研究者们通过模仿自然界中天然的微/纳米结构表面，如昆虫翅膀，开发了一种新型纳米结构力学杀菌技术，依赖于高长宽比形貌的纳米颗粒的力学作用来破坏细菌结构，实现了表面结构杀菌的功能，为解决细菌化学耐药性问题提供了一种独特的策略。
尽管这种纳米结构力学杀菌技术展现出潜力，但它仍处于起步阶段，其潜在的力学杀菌机制仍不确定。研究认为细胞黏附、纳米柱的弹性变形、细胞分裂和运动所产生的物理力可能是关键因素。然而，纳米结构力学杀菌的主导机制及其关键决定因素仍不明确。大量研究表明，纳米结构表面几何参数对杀菌率具有很大影响[1-6]，且纳米结构对细菌的黏附力是细菌变形死亡的驱动力[7-11]。但是由于纳米尺度的形貌控制以及纳牛（nN）尺度的作用力测定存在极大挑战，细菌对纳米结构力学响应导致的杀菌机制缺乏有效可靠的物理描述模型，这限制了对纳米结构如何引起细菌变形直至破坏死亡的理解，也限制了对制备特定杀菌微纳结构的设计指导，因而难以精确控制纳米结构对细菌的杀灭作用。本文主要对力学杀菌表面的研究进展进行阐述，重点介绍了纳米结构力学杀菌表面的制备方法和机制研究（见图1）。
图1
力学杀菌表面研究现状示意图
Figure1.
Schematic illustration of the current research status on mechanical bactericidal surfaces
1 力学杀菌表面
理想的杀菌表面应该是无毒的、非特异性的，同时要具有耐久性和高效的广谱抗菌性[12]。然而，现有技术尚未能克服开发这种杀菌表面所面临的挑战，这涉及到材料选择、制造过程等多方面因素。因此，研究人员通过深入探究自然界中植物和动物表面的杀菌机制，寻找具有潜在抗菌特性的新方法，为创造新型抗菌表面提供新思路。
1.1 天然杀菌表面
在过去的十年里，研究人员发现鲨鱼皮肤、壁虎皮肤、荷叶和昆虫翅膀等表面具备有效的抗菌性[13]。这些表面均具有独特的结构，荷叶和鲨鱼皮肤通过微纳结构的抗污染性质防止细菌的黏附，而壁虎皮肤和昆虫翅膀表面的微纳结构不仅抗菌更能高效杀菌。Ivanova等[14]研究了蝉翼表面，其杀菌特性是由高度有序的纳米颗粒阵列与细菌的直接相互作用引起的，这与自清洁导致的抗污染特性不同。他们采用扫描电子显微镜和原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）观测了铜绿假单胞菌附着在蝉翼表面、下移直至被破坏的过程，并在蝉翼表面涂覆金膜来改性蝉翼表面，表面依然可杀菌，表明蝉翼不是化学杀菌而是通过结构杀菌。紧接着又研究了蝉翼对不同种类和形状细菌的杀灭作用，实验证明蝉翼对革兰氏阳性菌的杀菌效率远不如革兰氏阴性菌[15]，这可能是由于革兰氏阳性菌的细胞壁由交联肽聚糖网络组成，能抵抗黏附时产生的应力。此外，革兰氏阳性细菌具有较厚的细胞壁，能够储存更多的弹性能量，从而减轻了纳米柱施加的拉伸力，并导致较弱的杀菌效果[16]。
Ivanova团队发现蝉翼对细菌有杀菌作用后，对三种蜻蜓翅膀进行了类似的实验，与蝉翼对比，其纳米柱的高度更高，直径和间距更小，并且尺寸更为随机，结果发现它们对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有杀菌作用，且三种蜻蜓翅膀对细菌的致死率并不相同。研究认为，蜻蜓翅膀的杀菌能力和蝉翼一样是由其表面纳米结构产生的应力驱动的，这一新型杀菌机制的发现非常有价值，因为它揭示了一种完全由力学效应产生的杀菌特性[17]。
1.2 人工杀菌表面
受到自然界的启发，人们已经制备出微米尺度的纹理表面。然而，微米级的纹理表面并不适合作为杀菌表面，因为尺度微小的细菌易于在微米结构之间的缝隙中定居，直至形成生物膜[18]。蝉翼和蜻蜓翅膀的纳米阵列结构杀菌特性的发现，使它们成为合成力学杀菌表面的理想新模板。已有许多方法技术可用不同材料制备出仿生纳米柱阵列结构表面，如水热处理[19-21]、等离子刻蚀[22-24]、沉积[25-27]、光刻[28-30]和模板法[31-34]，接下来介绍这几种制备方法。
1.2.1 水热处理
水热处理是在水环境中调控温度和压力，控制表面的微纳结构。例如，Zhao等[19]通过常压低温水热合成了三种不同几何特征的三维钛表面纳米结构——纳米线簇、纳米线/片状簇和纳米片簇，不同表面几何形态与杀菌效率密切相关，为构建杀菌生物医学植入物提供了新途径。Bhadra等[20]通过一步水热蚀刻工艺制备了仿蜻蜓翅膀的钛表面结构，表征结果显示这些结构能调控细菌附着并促进人成纤维细胞的有序生长，证实了通过设计钛表面纳米特征可控制细菌附着。
1.2.2 等离子刻蚀
等离子刻蚀是利用等离子体在材料表面产生的化学反应和物理碰撞作用，通过调整等离子体参数，如能量、功率、压力和时间，调节材料表面的形貌和结构。例如，Roy等[22]利用氯等离子体进行无掩模蚀刻，在钛表面上制造了具有杀菌活性的纳米柱结构，研究发现其杀菌机制和效率主要取决于纳米柱的长宽比。
1.2.3 沉积法
沉积法通过化学反应在材料表面形成杀菌薄膜或涂层，包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液沉积等[35]。例如，Yick等[26]通过热化学气相沉积技术，在经过热氧化和氧化铝（Al2O3）层溅射处理的硅片上，通过磁控溅射沉积铁催化剂，然后在特定温度和气体混合条件下生长出垂直排列的碳纳米管（carbon nanotube，CNT）阵列，发现经过等离子体处理的CNT阵列具有选择性生物膜支持、选择性形态完整性保持和生物相容性等重要特性。
1.2.4 光刻法
光刻法，又称光化学蚀刻，是一种用于精细加工半导体、金属和绝缘体等材料表面以制备纳米结构的微纳制造技术。该技术基于光敏抗蚀剂（光刻胶）在特定波长的光照射下发生化学反应的原理，通过光掩膜板上的图案，将光束投射到涂有光刻胶的基底上，使光刻胶在曝光区域发生固化或溶解。Quilis等[28]开发了一种热响应型水凝胶纳米结构阵列，该阵列利用金纳米颗粒阵列增强化学和生物传感的灵敏度。通过四束紫外激光干涉光刻技术在聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAAm）水凝胶上形成光刻胶图案，随后采用干法蚀刻工艺对水凝胶进行精细加工，最终形成所需的纳米结构。
1.2.5 模板法
模板法是将材料与模板接触，然后使用化学或物理方法，在模板的引导下进行材料的生长或沉积，最后去除模板即可得到具有特定结构的材料表面。例如Lee等[31]采用模板法制备了聚苯乙烯纳米结构表面，通过将电化学制备的多孔阳极氧化铝（anodic aluminum oxide，AAO）作为一种精细的复制模板，用于热压驱动的纳米压印工艺中，实现纳米级图案的高效转移。Zhao等[33]利用AAO模板方法复制了具有力学杀菌性能的纳米柱表面，随后将聚多巴胺的薄光热层迅速沉积在纳米结构表面上，开发了一种具有光热增强抗菌性能的力学杀菌纳米结构表面，该表面表现出协同抗菌性能，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌效率均显著提高。
以上这些方法各有优势和局限性，适用于不同的材料和应用场景（见表1）。
表1
纳米结构表面制备方法的比较
Table1.
Comparison of fabricating nanostructured surfaces
2 力学杀菌机制
目前，关于纳米结构如何杀灭细菌的机制尚未形成共识，且可能因不同生物体表面结构的差异而有所不同。黏附被认为是杀死细菌的主要机制，细菌和纳米结构相互作用导致细胞壁肽聚糖的变形，从而导致灾难性的破裂及随后的细胞内容物泄漏[6]。大多数研究者认为，这种相互作用主要是由非化学性的物理作用力，包括但不限于毛细力、重力、剪切力、挤压力以及非特异性相互作用力，这种作用力可能直接作用于细菌细胞，它们可能单独作用，也可能以某种组合形式共同影响细菌。此外，细胞外多糖也可能在这一过程中发挥间接作用。当细菌细胞悬浮于纳米结构表面时，它们会遭受到足以撕裂或穿刺细胞膜的力量。如果这种力量超过了细胞膜的耐受极限，细菌就会因撕裂或穿刺而死亡。对于体积较小的细菌，它们更可能附着在纳米结构的微刺侧面或微刺之间的空隙中。在这种情况下，细菌细胞不会遭受穿刺，而是由于受到挤压和剪切力的作用，导致细胞膜破裂[36]。在这一进展的背景下，不同的研究小组提出了其他杀菌机制来解释他们的观察结果。尽管这些机制在将细菌死亡归因于物理效应方面有相似之处，但它们对这些力量的来源的假设有所不同，如细菌运动产生的剪切力、纳米柱弯曲变形产生的弹性力、细菌细胞分裂受到的挤压力以及纳米柱对细菌产生的应力导致细菌自身的应激反应。
2.1 细菌运动性
一些材料表面的微观结构可以限制细菌的自由运动，从而阻碍它在生长介质中的定位和生长。Bandara等[37]首次提出了细菌的运动可能在力学杀菌过程中发挥作用，通过采用先进的显微技术观察细菌细胞与纳米柱界面之间的连续作用过程，对附着在蜻蜓翅膀上的大肠杆菌细胞的形态学分析，发现纳米柱的穿透发生在细菌边缘，而位于细菌下方的纳米柱被细胞外多糖层覆盖，与细菌细胞膜并未直接接触，附着的细菌在试图远离不利的纳米柱地形时推拉纳米柱，从而对细菌膜施加剪切力，导致细菌内膜与外膜分离而造成了细菌膜损伤。
2.2 弹性能量的储存和释放
一些材料具有能够吸收外部压力并在适当时释放的弹性性质，当细菌接触到这些材料表面时，表面的弹性变化可以造成对细菌的压力，从而导致细菌膜的破坏和细胞内部结构的损坏[2, 5]。Ivanova的团队最初提出了黏附机制，后来提出了一种基于高纵横比纳米柱弹性能的存储和释放的替代机制[25]。通过评估短（高度=1 µm）和长（高度=30 µm）CNT的杀菌性能，他们发现与细菌接触的纳米柱通常是弯曲的，这表明它们可以储存大量的弹性能量，从而损害细菌细胞。
2.3 细胞分裂
一些具有特定的结构和形状的材料可以通过直接干扰细菌的细胞分裂过程来实现杀菌。例如，Köller等[38]将钛纳米柱置于不影响细胞活力的不同营养水平细菌悬液中时，发现在营养丰富的条件下，细菌的死亡率更高，此外，在营养丰富的细菌悬浮液中使用DL-丝氨酸羟胺抑制了细菌增殖，反而降低了细菌的死亡率。研究表明细菌细胞分裂导致的细胞伸长会产生力学效应，可以使附着在纳米柱上的细菌细胞变形并死亡。细胞分裂生长过程中的这种力学效应具体如何产生影响就不得而知了，可能是纳米结构在细菌分裂时阻碍了细胞壁的形成或细胞分裂蛋白的功能，从而导致细胞死亡。
2.4 氧化应激
某些表面的纳米结构与细菌作用导致细菌产生氧化物，如活性氧，这些物质具有高度氧化性，可以对细菌细胞膜和细胞内部产生损害，最终导致细菌的死亡[39-40]。Jenkins等[41]在研究二氧化钛对不同细菌的杀菌活性时，提出氧化应激是一种潜在的杀菌驱动力。他们的研究发现，纳米柱很少穿透和变形细胞膜，也几乎没有引起形态学变化。因此，他们认为生理效应可能在这一过程中发挥了作用。进一步的研究发现了纳米柱表面的蛋白质组学差异，表明氧化应激可能抑制了细胞生长并引起了轻微的形态损伤。
虽然以上细胞运动性、纳米柱的弹性变形、细胞分裂和细菌氧化应激被认为是驱动力学杀菌机制的关键因素，然而，主导机制及其关键决定因素仍然不清楚。因此，现阶段对于纳米微结构与细菌相互作用的力学杀菌机制尚缺乏清晰的理解。由于这一瓶颈问题的存在，尽管基于力学响应的纳米微结构杀菌表面吸引了大量关注，但由于缺乏指导性的纳米微结构杀菌设计策略，这些表面的精确制造和高效杀菌性能的实现仍然面临挑战。
3 纳米阵列力学杀菌模型及力学微观测试
最初，Pogodin等[42]通过开发生物物理模型，揭示了细菌与蝉翼表面纳米柱结构相互作用的机制，其中细菌细胞在附着于纳米柱时会经历膜的非均匀拉伸，可能在柱间区域导致不可逆破裂和细胞死亡。他们还发现革兰氏阳性菌因具有较高的细胞刚度而更具抵抗力。关键物理过程包括细菌细胞膜在纳米柱上的吸附和拉伸，以及由持续拉伸引起的膜破裂。细胞的刚度和膜的初始拉伸程度是影响蝉翼表面杀菌作用敏感性的主要生物响应机制。然而该模型是静态的，没有考虑细菌的形状尺寸，并未提及力学杀菌过程中的受力情况。Xue等[43]考虑了细胞膜与纳米结构接触时的力学平衡条件，建立了细菌与纳米柱之间的弹性力学模型，模型中使用了细菌的密度、细胞壁的厚度和弹性模量等参数，利用拉伸理论研究细菌细胞的破裂过程，通过评估细胞壁的拉伸程度分析了表面纳米粗糙度对细菌细胞的影响，得到并讨论了革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌拉伸度与表面结构几何参数的函数关系，当纳米柱变得更尖锐且柱间距离更大时，纳米柱表面的抗菌性能增强。但他认为是细菌重力导致变形，然而，细菌只是微米尺度，其重力远小于所受到的界面张力。Li[44]运用热力学分析，建立了一个理论模型，该模型考虑了细菌的拉伸模量、弯曲模量、细胞膜与表面之间的粘附能等参数，通过分析附着在图案表面的细菌细胞的总自由能变化，包括膜的接触粘附弯曲能、边缘弯曲能以及粘附能，来阐明纳米图案表面的杀菌机制。该模型指出细菌与纳米结构的接触面积增大会促使细菌死亡，然而并未说明是什么力导致细菌变形。
以上模型虽然从一定角度解释了纳米结构杀菌的机制，但并未完全解释纳米结构杀菌的力学机制，这是由于纳米结构力学杀菌的过程是复杂的，需要考虑多种因素的影响。例如，从纳米结构的几何尺寸角度，具有较高纵横比的纳米柱有助于增强细菌细胞的变形和破裂，提升杀菌效能[7, 45]。纳米柱的直径、高度和它们之间的间距是决定细菌黏附强度及细胞损伤的关键因素[1, 3-4]。Cui等[1]发现在聚碳酸酯表面上制造的纳米结构对细菌的杀灭效果随着纳米柱之间距离的增大而增强，当间距达到170 nm时，杀菌效果达到峰值。然而，当间距超过这个值时，效果开始逐渐减弱。同时，他们还发现，当纳米柱的高度增加至300 nm时，其杀菌效率呈现出指数级的显著提升，但在超过这个高度后，效率的增长趋势开始放缓并趋于稳定。此外，细菌的细胞壁厚度及其弹性模量是它们抵抗外部压力的能力指标，这些因素决定了它们对纳米结构的反应[2, 5, 25]。表面的粗糙度和化学组成等特征也会影响细菌的黏附能力及其随后受到的力学影响，除了黏附力之外，其他外部力量，例如毛细管力，也能施加足够的压力，迅速消灭纳米柱上的细菌[6]。Valiei等[46]研究发现亲水性纳米柱在无外力作用时对细菌不具有杀伤性，其作用依赖于外部力量，如空气-液体界面移动产生的表面张力，可迅速杀死细菌，这一发现为设计快速有效的抗菌材料提供了新的理解。
在生物学上，判断细菌死活通常依赖于它们的生长繁殖能力、新陈代谢能力、细胞膜的完整性以及复制转录能力。传统的平板培养计数法是通过观察细菌在培养基上的生长情况来判定，而更现代的方法包括使用荧光染料结合流式细胞仪、单细胞拉曼分析技术等[47]。例如，BB-
4 力学杀菌表面在医学领域的应用
4.1 医用植入物
力学杀菌表面在医用植入物中的应用通过提供一种物理抗菌机制，有效预防和减少植入物相关感染，同时促进组织修复和提高生物相容性，减少对抗生素的依赖，有助于减缓抗生素耐药性的发展，并改善植入物的整体性能和临床效果。例如，de Sous等[52]利用水热法成功制备了纳米片状钛表面，该研究表明，即使在人血清蛋白吸附的情况下，这种表面也能高效杀灭金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，显示出良好的抗生物污染性能和高杀菌效率；此外，该纳米片表面还能促进M2型巨噬细胞的极化，增加抗炎细胞因子的分泌，有助于伤口愈合。de Sous等[53]还通过碱热处理制备了两种不同表面粗糙度的微纳结构钛表面，这些表面增强了MG-63细胞的黏附和分化，而且MN-HCl表面在促进细胞增殖方面表现更佳，并且展现出对细菌的高效杀菌活性；此外，研究还表明，通过调节微米和纳米尺度上的表面粗糙度和结构，可以有效操纵成骨细胞反应，结合力学抗菌活性，可实现更优的生物相容性和抗菌效果。
4.2 医疗器械抗菌表面
Zhang等[32]利用低成本的AAO模板辅助方法和环保的层层组装技术，结合鞣酸和铁离子，制备了杂化纳米柱，研究发现该表面通过结合光热疗法和力学杀菌特性，能够有效杀灭革兰氏阴性和阳性细菌，同时对哺乳动物细胞具有生物相容性。Yi等[54]设计了一种新型的纳米柱表面，通过在氧化锌纳米柱上嫁接两性离子聚合物（聚磺甜菜碱甲基丙烯酸酯，PSBMA），这种表面在干燥条件下表现出显著的力学杀菌活性，而在水溶液中则能轻易地释放杀死的细菌和碎片；研究还评估了这种表面对L929成纤维细胞的细胞相容性和对红细胞的血液相容性，结果表明它具有较低的细胞毒性和溶血活性。Liu等[55]开发了一种通过在生物启发的纳米图案表面嫁接盐响应性聚两性离子刷来制备的纳米图案表面。这种表面能够在低离子强度展现高力学杀菌效率，而在高离子强度条件下，通过扩展的聚合物链使死亡的细菌残留物容易脱落。该力学杀菌纳米图案表面在体外和体内均显示出良好的生物相容性，并通过皮下植入模型展示了预防围手术期感染的潜力。
5 总结与展望
生物医学设备的进步对于提升医疗保健质量至关重要，但抗生素的滥用和抗菌涂层的限制已引发耐药性问题，促使研究者探索新的抗菌策略。理想的抗菌表面应具备无毒、广谱、持久且高效的特点。仿生学为此提供了解决方案，研究者通过模仿自然抗菌特性，利用水热处理、等离子刻蚀、沉积法、光刻法和模板法等技术在不同材料上形成纳米结构，创造高效且持久的抗菌表面。尽管已有物理模型揭示细菌与纳米柱结构的相互作用机制，表明细菌细胞膜在纳米柱之间伸展可能导致细胞的破裂，但杀菌机制的主导因素和实际作用尚不完全明确，需要进一步研究。未来研究可以构建黏附的力学模型和变形协调准则，分析和验证黏附力模型和细菌捕获、杀灭的动态行为，深入研究细菌与纳米结构的相互作用机制，并且针对不同细菌和纳米结构相互作用的力学杀菌机制，建立相应的物理模型，以便制定更加高效的抗菌设计策略。
因此，力学杀菌表面的研究虽然取得了显著进展，但仍存在许多未解之谜和技术挑战。未来的研究应集中在揭示力学杀菌机制、优化制备技术及开发多功能抗菌表面上，为抗菌材料的实际应用提供更可靠的解决方案。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：陈世雄收集、整理文献并撰写文章；梁英负责论文选题以及修改指导；田晓宝负责提供基金支持和论文修改指导；王凯负责对文章思路进行完善和审校论文。
0 引言
细菌耐药性问题一直以来深受关注，对公共健康构成了巨大威胁。抗生素的滥用导致细菌变异产生抗性，而且生物膜提供的物理保护屏障和促进遗传物质交换的通道，进一步加剧了细菌耐药性问题。近些年来，研究者们通过模仿自然界中天然的微/纳米结构表面，如昆虫翅膀，开发了一种新型纳米结构力学杀菌技术，依赖于高长宽比形貌的纳米颗粒的力学作用来破坏细菌结构，实现了表面结构杀菌的功能，为解决细菌化学耐药性问题提供了一种独特的策略。
尽管这种纳米结构力学杀菌技术展现出潜力，但它仍处于起步阶段，其潜在的力学杀菌机制仍不确定。研究认为细胞黏附、纳米柱的弹性变形、细胞分裂和运动所产生的物理力可能是关键因素。然而，纳米结构力学杀菌的主导机制及其关键决定因素仍不明确。大量研究表明，纳米结构表面几何参数对杀菌率具有很大影响[1-6]，且纳米结构对细菌的黏附力是细菌变形死亡的驱动力[7-11]。但是由于纳米尺度的形貌控制以及纳牛（nN）尺度的作用力测定存在极大挑战，细菌对纳米结构力学响应导致的杀菌机制缺乏有效可靠的物理描述模型，这限制了对纳米结构如何引起细菌变形直至破坏死亡的理解，也限制了对制备特定杀菌微纳结构的设计指导，因而难以精确控制纳米结构对细菌的杀灭作用。本文主要对力学杀菌表面的研究进展进行阐述，重点介绍了纳米结构力学杀菌表面的制备方法和机制研究（见图1）。
图1
力学杀菌表面研究现状示意图
Figure1.
Schematic illustration of the current research status on mechanical bactericidal surfaces
1 力学杀菌表面
理想的杀菌表面应该是无毒的、非特异性的，同时要具有耐久性和高效的广谱抗菌性[12]。然而，现有技术尚未能克服开发这种杀菌表面所面临的挑战，这涉及到材料选择、制造过程等多方面因素。因此，研究人员通过深入探究自然界中植物和动物表面的杀菌机制，寻找具有潜在抗菌特性的新方法，为创造新型抗菌表面提供新思路。
1.1 天然杀菌表面
在过去的十年里，研究人员发现鲨鱼皮肤、壁虎皮肤、荷叶和昆虫翅膀等表面具备有效的抗菌性[13]。这些表面均具有独特的结构，荷叶和鲨鱼皮肤通过微纳结构的抗污染性质防止细菌的黏附，而壁虎皮肤和昆虫翅膀表面的微纳结构不仅抗菌更能高效杀菌。Ivanova等[14]研究了蝉翼表面，其杀菌特性是由高度有序的纳米颗粒阵列与细菌的直接相互作用引起的，这与自清洁导致的抗污染特性不同。他们采用扫描电子显微镜和原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）观测了铜绿假单胞菌附着在蝉翼表面、下移直至被破坏的过程，并在蝉翼表面涂覆金膜来改性蝉翼表面，表面依然可杀菌，表明蝉翼不是化学杀菌而是通过结构杀菌。紧接着又研究了蝉翼对不同种类和形状细菌的杀灭作用，实验证明蝉翼对革兰氏阳性菌的杀菌效率远不如革兰氏阴性菌[15]，这可能是由于革兰氏阳性菌的细胞壁由交联肽聚糖网络组成，能抵抗黏附时产生的应力。此外，革兰氏阳性细菌具有较厚的细胞壁，能够储存更多的弹性能量，从而减轻了纳米柱施加的拉伸力，并导致较弱的杀菌效果[16]。
Ivanova团队发现蝉翼对细菌有杀菌作用后，对三种蜻蜓翅膀进行了类似的实验，与蝉翼对比，其纳米柱的高度更高，直径和间距更小，并且尺寸更为随机，结果发现它们对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有杀菌作用，且三种蜻蜓翅膀对细菌的致死率并不相同。研究认为，蜻蜓翅膀的杀菌能力和蝉翼一样是由其表面纳米结构产生的应力驱动的，这一新型杀菌机制的发现非常有价值，因为它揭示了一种完全由力学效应产生的杀菌特性[17]。
1.2 人工杀菌表面
受到自然界的启发，人们已经制备出微米尺度的纹理表面。然而，微米级的纹理表面并不适合作为杀菌表面，因为尺度微小的细菌易于在微米结构之间的缝隙中定居，直至形成生物膜[18]。蝉翼和蜻蜓翅膀的纳米阵列结构杀菌特性的发现，使它们成为合成力学杀菌表面的理想新模板。已有许多方法技术可用不同材料制备出仿生纳米柱阵列结构表面，如水热处理[19-21]、等离子刻蚀[22-24]、沉积[25-27]、光刻[28-30]和模板法[31-34]，接下来介绍这几种制备方法。
1.2.1 水热处理
水热处理是在水环境中调控温度和压力，控制表面的微纳结构。例如，Zhao等[19]通过常压低温水热合成了三种不同几何特征的三维钛表面纳米结构——纳米线簇、纳米线/片状簇和纳米片簇，不同表面几何形态与杀菌效率密切相关，为构建杀菌生物医学植入物提供了新途径。Bhadra等[20]通过一步水热蚀刻工艺制备了仿蜻蜓翅膀的钛表面结构，表征结果显示这些结构能调控细菌附着并促进人成纤维细胞的有序生长，证实了通过设计钛表面纳米特征可控制细菌附着。
1.2.2 等离子刻蚀
等离子刻蚀是利用等离子体在材料表面产生的化学反应和物理碰撞作用，通过调整等离子体参数，如能量、功率、压力和时间，调节材料表面的形貌和结构。例如，Roy等[22]利用氯等离子体进行无掩模蚀刻，在钛表面上制造了具有杀菌活性的纳米柱结构，研究发现其杀菌机制和效率主要取决于纳米柱的长宽比。
1.2.3 沉积法
沉积法通过化学反应在材料表面形成杀菌薄膜或涂层，包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液沉积等[35]。例如，Yick等[26]通过热化学气相沉积技术，在经过热氧化和氧化铝（Al2O3）层溅射处理的硅片上，通过磁控溅射沉积铁催化剂，然后在特定温度和气体混合条件下生长出垂直排列的碳纳米管（carbon nanotube，CNT）阵列，发现经过等离子体处理的CNT阵列具有选择性生物膜支持、选择性形态完整性保持和生物相容性等重要特性。
1.2.4 光刻法
光刻法，又称光化学蚀刻，是一种用于精细加工半导体、金属和绝缘体等材料表面以制备纳米结构的微纳制造技术。该技术基于光敏抗蚀剂（光刻胶）在特定波长的光照射下发生化学反应的原理，通过光掩膜板上的图案，将光束投射到涂有光刻胶的基底上，使光刻胶在曝光区域发生固化或溶解。Quilis等[28]开发了一种热响应型水凝胶纳米结构阵列，该阵列利用金纳米颗粒阵列增强化学和生物传感的灵敏度。通过四束紫外激光干涉光刻技术在聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAAm）水凝胶上形成光刻胶图案，随后采用干法蚀刻工艺对水凝胶进行精细加工，最终形成所需的纳米结构。
1.2.5 模板法
模板法是将材料与模板接触，然后使用化学或物理方法，在模板的引导下进行材料的生长或沉积，最后去除模板即可得到具有特定结构的材料表面。例如Lee等[31]采用模板法制备了聚苯乙烯纳米结构表面，通过将电化学制备的多孔阳极氧化铝（anodic aluminum oxide，AAO）作为一种精细的复制模板，用于热压驱动的纳米压印工艺中，实现纳米级图案的高效转移。Zhao等[33]利用AAO模板方法复制了具有力学杀菌性能的纳米柱表面，随后将聚多巴胺的薄光热层迅速沉积在纳米结构表面上，开发了一种具有光热增强抗菌性能的力学杀菌纳米结构表面，该表面表现出协同抗菌性能，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌效率均显著提高。
以上这些方法各有优势和局限性，适用于不同的材料和应用场景（见表1）。
表1
纳米结构表面制备方法的比较
Table1.
Comparison of fabricating nanostructured surfaces
2 力学杀菌机制
目前，关于纳米结构如何杀灭细菌的机制尚未形成共识，且可能因不同生物体表面结构的差异而有所不同。黏附被认为是杀死细菌的主要机制，细菌和纳米结构相互作用导致细胞壁肽聚糖的变形，从而导致灾难性的破裂及随后的细胞内容物泄漏[6]。大多数研究者认为，这种相互作用主要是由非化学性的物理作用力，包括但不限于毛细力、重力、剪切力、挤压力以及非特异性相互作用力，这种作用力可能直接作用于细菌细胞，它们可能单独作用，也可能以某种组合形式共同影响细菌。此外，细胞外多糖也可能在这一过程中发挥间接作用。当细菌细胞悬浮于纳米结构表面时，它们会遭受到足以撕裂或穿刺细胞膜的力量。如果这种力量超过了细胞膜的耐受极限，细菌就会因撕裂或穿刺而死亡。对于体积较小的细菌，它们更可能附着在纳米结构的微刺侧面或微刺之间的空隙中。在这种情况下，细菌细胞不会遭受穿刺，而是由于受到挤压和剪切力的作用，导致细胞膜破裂[36]。在这一进展的背景下，不同的研究小组提出了其他杀菌机制来解释他们的观察结果。尽管这些机制在将细菌死亡归因于物理效应方面有相似之处，但它们对这些力量的来源的假设有所不同，如细菌运动产生的剪切力、纳米柱弯曲变形产生的弹性力、细菌细胞分裂受到的挤压力以及纳米柱对细菌产生的应力导致细菌自身的应激反应。
2.1 细菌运动性
一些材料表面的微观结构可以限制细菌的自由运动，从而阻碍它在生长介质中的定位和生长。Bandara等[37]首次提出了细菌的运动可能在力学杀菌过程中发挥作用，通过采用先进的显微技术观察细菌细胞与纳米柱界面之间的连续作用过程，对附着在蜻蜓翅膀上的大肠杆菌细胞的形态学分析，发现纳米柱的穿透发生在细菌边缘，而位于细菌下方的纳米柱被细胞外多糖层覆盖，与细菌细胞膜并未直接接触，附着的细菌在试图远离不利的纳米柱地形时推拉纳米柱，从而对细菌膜施加剪切力，导致细菌内膜与外膜分离而造成了细菌膜损伤。
2.2 弹性能量的储存和释放
一些材料具有能够吸收外部压力并在适当时释放的弹性性质，当细菌接触到这些材料表面时，表面的弹性变化可以造成对细菌的压力，从而导致细菌膜的破坏和细胞内部结构的损坏[2, 5]。Ivanova的团队最初提出了黏附机制，后来提出了一种基于高纵横比纳米柱弹性能的存储和释放的替代机制[25]。通过评估短（高度=1 µm）和长（高度=30 µm）CNT的杀菌性能，他们发现与细菌接触的纳米柱通常是弯曲的，这表明它们可以储存大量的弹性能量，从而损害细菌细胞。
2.3 细胞分裂
一些具有特定的结构和形状的材料可以通过直接干扰细菌的细胞分裂过程来实现杀菌。例如，Köller等[38]将钛纳米柱置于不影响细胞活力的不同营养水平细菌悬液中时，发现在营养丰富的条件下，细菌的死亡率更高，此外，在营养丰富的细菌悬浮液中使用DL-丝氨酸羟胺抑制了细菌增殖，反而降低了细菌的死亡率。研究表明细菌细胞分裂导致的细胞伸长会产生力学效应，可以使附着在纳米柱上的细菌细胞变形并死亡。细胞分裂生长过程中的这种力学效应具体如何产生影响就不得而知了，可能是纳米结构在细菌分裂时阻碍了细胞壁的形成或细胞分裂蛋白的功能，从而导致细胞死亡。
2.4 氧化应激
某些表面的纳米结构与细菌作用导致细菌产生氧化物，如活性氧，这些物质具有高度氧化性，可以对细菌细胞膜和细胞内部产生损害，最终导致细菌的死亡[39-40]。Jenkins等[41]在研究二氧化钛对不同细菌的杀菌活性时，提出氧化应激是一种潜在的杀菌驱动力。他们的研究发现，纳米柱很少穿透和变形细胞膜，也几乎没有引起形态学变化。因此，他们认为生理效应可能在这一过程中发挥了作用。进一步的研究发现了纳米柱表面的蛋白质组学差异，表明氧化应激可能抑制了细胞生长并引起了轻微的形态损伤。
虽然以上细胞运动性、纳米柱的弹性变形、细胞分裂和细菌氧化应激被认为是驱动力学杀菌机制的关键因素，然而，主导机制及其关键决定因素仍然不清楚。因此，现阶段对于纳米微结构与细菌相互作用的力学杀菌机制尚缺乏清晰的理解。由于这一瓶颈问题的存在，尽管基于力学响应的纳米微结构杀菌表面吸引了大量关注，但由于缺乏指导性的纳米微结构杀菌设计策略，这些表面的精确制造和高效杀菌性能的实现仍然面临挑战。
3 纳米阵列力学杀菌模型及力学微观测试
最初，Pogodin等[42]通过开发生物物理模型，揭示了细菌与蝉翼表面纳米柱结构相互作用的机制，其中细菌细胞在附着于纳米柱时会经历膜的非均匀拉伸，可能在柱间区域导致不可逆破裂和细胞死亡。他们还发现革兰氏阳性菌因具有较高的细胞刚度而更具抵抗力。关键物理过程包括细菌细胞膜在纳米柱上的吸附和拉伸，以及由持续拉伸引起的膜破裂。细胞的刚度和膜的初始拉伸程度是影响蝉翼表面杀菌作用敏感性的主要生物响应机制。然而该模型是静态的，没有考虑细菌的形状尺寸，并未提及力学杀菌过程中的受力情况。Xue等[43]考虑了细胞膜与纳米结构接触时的力学平衡条件，建立了细菌与纳米柱之间的弹性力学模型，模型中使用了细菌的密度、细胞壁的厚度和弹性模量等参数，利用拉伸理论研究细菌细胞的破裂过程，通过评估细胞壁的拉伸程度分析了表面纳米粗糙度对细菌细胞的影响，得到并讨论了革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌拉伸度与表面结构几何参数的函数关系，当纳米柱变得更尖锐且柱间距离更大时，纳米柱表面的抗菌性能增强。但他认为是细菌重力导致变形，然而，细菌只是微米尺度，其重力远小于所受到的界面张力。Li[44]运用热力学分析，建立了一个理论模型，该模型考虑了细菌的拉伸模量、弯曲模量、细胞膜与表面之间的粘附能等参数，通过分析附着在图案表面的细菌细胞的总自由能变化，包括膜的接触粘附弯曲能、边缘弯曲能以及粘附能，来阐明纳米图案表面的杀菌机制。该模型指出细菌与纳米结构的接触面积增大会促使细菌死亡，然而并未说明是什么力导致细菌变形。
以上模型虽然从一定角度解释了纳米结构杀菌的机制，但并未完全解释纳米结构杀菌的力学机制，这是由于纳米结构力学杀菌的过程是复杂的，需要考虑多种因素的影响。例如，从纳米结构的几何尺寸角度，具有较高纵横比的纳米柱有助于增强细菌细胞的变形和破裂，提升杀菌效能[7, 45]。纳米柱的直径、高度和它们之间的间距是决定细菌黏附强度及细胞损伤的关键因素[1, 3-4]。Cui等[1]发现在聚碳酸酯表面上制造的纳米结构对细菌的杀灭效果随着纳米柱之间距离的增大而增强，当间距达到170 nm时，杀菌效果达到峰值。然而，当间距超过这个值时，效果开始逐渐减弱。同时，他们还发现，当纳米柱的高度增加至300 nm时，其杀菌效率呈现出指数级的显著提升，但在超过这个高度后，效率的增长趋势开始放缓并趋于稳定。此外，细菌的细胞壁厚度及其弹性模量是它们抵抗外部压力的能力指标，这些因素决定了它们对纳米结构的反应[2, 5, 25]。表面的粗糙度和化学组成等特征也会影响细菌的黏附能力及其随后受到的力学影响，除了黏附力之外，其他外部力量，例如毛细管力，也能施加足够的压力，迅速消灭纳米柱上的细菌[6]。Valiei等[46]研究发现亲水性纳米柱在无外力作用时对细菌不具有杀伤性，其作用依赖于外部力量，如空气-液体界面移动产生的表面张力，可迅速杀死细菌，这一发现为设计快速有效的抗菌材料提供了新的理解。
在生物学上，判断细菌死活通常依赖于它们的生长繁殖能力、新陈代谢能力、细胞膜的完整性以及复制转录能力。传统的平板培养计数法是通过观察细菌在培养基上的生长情况来判定，而更现代的方法包括使用荧光染料结合流式细胞仪、单细胞拉曼分析技术等[47]。例如，BB-
4 力学杀菌表面在医学领域的应用
4.1 医用植入物
力学杀菌表面在医用植入物中的应用通过提供一种物理抗菌机制，有效预防和减少植入物相关感染，同时促进组织修复和提高生物相容性，减少对抗生素的依赖，有助于减缓抗生素耐药性的发展，并改善植入物的整体性能和临床效果。例如，de Sous等[52]利用水热法成功制备了纳米片状钛表面，该研究表明，即使在人血清蛋白吸附的情况下，这种表面也能高效杀灭金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，显示出良好的抗生物污染性能和高杀菌效率；此外，该纳米片表面还能促进M2型巨噬细胞的极化，增加抗炎细胞因子的分泌，有助于伤口愈合。de Sous等[53]还通过碱热处理制备了两种不同表面粗糙度的微纳结构钛表面，这些表面增强了MG-63细胞的黏附和分化，而且MN-HCl表面在促进细胞增殖方面表现更佳，并且展现出对细菌的高效杀菌活性；此外，研究还表明，通过调节微米和纳米尺度上的表面粗糙度和结构，可以有效操纵成骨细胞反应，结合力学抗菌活性，可实现更优的生物相容性和抗菌效果。
4.2 医疗器械抗菌表面
Zhang等[32]利用低成本的AAO模板辅助方法和环保的层层组装技术，结合鞣酸和铁离子，制备了杂化纳米柱，研究发现该表面通过结合光热疗法和力学杀菌特性，能够有效杀灭革兰氏阴性和阳性细菌，同时对哺乳动物细胞具有生物相容性。Yi等[54]设计了一种新型的纳米柱表面，通过在氧化锌纳米柱上嫁接两性离子聚合物（聚磺甜菜碱甲基丙烯酸酯，PSBMA），这种表面在干燥条件下表现出显著的力学杀菌活性，而在水溶液中则能轻易地释放杀死的细菌和碎片；研究还评估了这种表面对L929成纤维细胞的细胞相容性和对红细胞的血液相容性，结果表明它具有较低的细胞毒性和溶血活性。Liu等[55]开发了一种通过在生物启发的纳米图案表面嫁接盐响应性聚两性离子刷来制备的纳米图案表面。这种表面能够在低离子强度展现高力学杀菌效率，而在高离子强度条件下，通过扩展的聚合物链使死亡的细菌残留物容易脱落。该力学杀菌纳米图案表面在体外和体内均显示出良好的生物相容性，并通过皮下植入模型展示了预防围手术期感染的潜力。
5 总结与展望
生物医学设备的进步对于提升医疗保健质量至关重要，但抗生素的滥用和抗菌涂层的限制已引发耐药性问题，促使研究者探索新的抗菌策略。理想的抗菌表面应具备无毒、广谱、持久且高效的特点。仿生学为此提供了解决方案，研究者通过模仿自然抗菌特性，利用水热处理、等离子刻蚀、沉积法、光刻法和模板法等技术在不同材料上形成纳米结构，创造高效且持久的抗菌表面。尽管已有物理模型揭示细菌与纳米柱结构的相互作用机制，表明细菌细胞膜在纳米柱之间伸展可能导致细胞的破裂，但杀菌机制的主导因素和实际作用尚不完全明确，需要进一步研究。未来研究可以构建黏附的力学模型和变形协调准则，分析和验证黏附力模型和细菌捕获、杀灭的动态行为，深入研究细菌与纳米结构的相互作用机制，并且针对不同细菌和纳米结构相互作用的力学杀菌机制，建立相应的物理模型，以便制定更加高效的抗菌设计策略。
因此，力学杀菌表面的研究虽然取得了显著进展，但仍存在许多未解之谜和技术挑战。未来的研究应集中在揭示力学杀菌机制、优化制备技术及开发多功能抗菌表面上，为抗菌材料的实际应用提供更可靠的解决方案。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：陈世雄收集、整理文献并撰写文章；梁英负责论文选题以及修改指导；田晓宝负责提供基金支持和论文修改指导；王凯负责对文章思路进行完善和审校论文。
